怎樣得到輸出電壓紋波低的 Buck 轉(zhuǎn)換器?

有網(wǎng)友留言問(wèn)射頻模塊的供電器件要怎么選，說(shuō)是他的輸入電壓為 7V，輸出電壓為 5V，已經(jīng)選了 RT6283B，但是紋波太大了，而他關(guān)注的是恰好是瞬態(tài)響應(yīng)和紋波，現(xiàn)有RT6220A/RT6217/RT7295C/RT7240 可供備選，到底應(yīng)該選哪個(gè)型號(hào)？這個(gè)問(wèn)題要怎么解決呢？現(xiàn)在就來(lái)聊一聊。

紋波的來(lái)源

在 Buck 電路工作的時(shí)候，電感電流一般都呈現(xiàn)為鋸齒波（非連續(xù)狀態(tài)就不是了），它的平均值就是負(fù)載電流的平均值，高出平均值的那部分不能被負(fù)載吸收，自然就進(jìn)入輸出電容使輸出電壓上升，低于平均值的部分則由輸出電容的儲(chǔ)能予以彌補(bǔ)，這又使得輸出電壓下降。這種升升降降的結(jié)果就形成了紋波，紋波的峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)之間的電壓差便是所謂的輸出電壓紋波幅度，RT6283B 的規(guī)格書(shū)給出這一參數(shù)的評(píng)估公式為

其中的 ESR 是輸出電容的等效串聯(lián)電阻，由所選用的輸出電容決定，現(xiàn)在一般都使用陶瓷電容，所以這一數(shù)值通常都是比較小的；COUT 是輸出電容的容量有效值，強(qiáng)調(diào)有效值是因?yàn)樘沾呻娙菰诓煌墓ぷ麟妷合戮哂胁煌娜萘浚?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1534453.html">直流電壓越高則容量越小，交流電壓越高則容量越大，具體的數(shù)據(jù)需要向電容廠家查詢，有的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)里也有具體的信息，使用者需要特別關(guān)注；f 是 Buck 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)切換工作頻率，一般由所選器件的設(shè)計(jì)所確定，有的器件也容許用戶自己做設(shè)定，還有一些會(huì)支持你使用外部信號(hào)源來(lái)做同步運(yùn)作，這時(shí)候的工作頻率就由外部信號(hào)來(lái)決定了；?IL 是電感電流紋波幅度，其計(jì)算公式為

這個(gè)式子里新出現(xiàn)的 L 是 Buck 轉(zhuǎn)換器所用電感器的電感量，VIN 是輸入電壓，VOUT 是輸出電壓。
很顯然，為了獲得較低的輸出電壓紋波，我們希望 ?IL 和 ESR 要比較小，同時(shí)又需要有比較大的 f 和 COUT。較大的 f 會(huì)使得 ?IL 也會(huì)比較小，所以選擇較高的工作頻率對(duì)降低輸出電壓紋波總是比較有利的，我們?cè)跒榈图y波應(yīng)用選擇 Buck 轉(zhuǎn)換器時(shí)應(yīng)該把視線投向那些工作頻率比較高的器件身上，但在器件工作頻率已經(jīng)選定了的情況下，比較有效的做法就是增大輸出電容的容量和電感器的電感量，這兩個(gè)參數(shù)在電感紋波電流和輸出電壓紋波的計(jì)算公式中都處于分式的分母部分，所起的作用與提高工作頻率的影響是相當(dāng)?shù)摹?br /> 從另一個(gè)方面來(lái)看，該應(yīng)用的工作條件是輸入電壓為 7V、輸出電壓為 5V，這屬于占空比較高的應(yīng)用，這種電路的工作特征是上橋開(kāi)關(guān)在一個(gè)周期里的導(dǎo)通時(shí)間比較長(zhǎng)、下橋開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間比較短，留給自舉電容的充電時(shí)間不足，可能出現(xiàn)上橋驅(qū)動(dòng)能力差的問(wèn)題，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)無(wú)力驅(qū)動(dòng)上橋的問(wèn)題，所以需要在應(yīng)用中添加如下圖所示的外加充電電路：

恰好這個(gè)應(yīng)用的輸出電壓為 5V，正好可以被拿來(lái)為它供電。這里使用的二極管可以是很便宜的 1N4148 和 BAT54 等型號(hào)，應(yīng)該非常容易得到。需要注意的是有的 Buck 器件會(huì)有專門(mén)的 BOOT 端欠壓檢測(cè)功能，并且能夠在欠壓時(shí)強(qiáng)制將 SW 端拉到地電位以實(shí)現(xiàn)對(duì)自舉電容的補(bǔ)充電，或者是采取保護(hù)性的措施來(lái)停止工作，我不知道 RT6283B 是否具有這樣的特性，但估計(jì)是沒(méi)有的，所以就需要使用者在遇到這樣的狀況時(shí)能查明問(wèn)題并且采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。很顯然，如果沒(méi)有有效的問(wèn)題防范措施，上橋的驅(qū)動(dòng)不足既可能造成保護(hù)狀態(tài)的出現(xiàn)，也可能造成上橋的內(nèi)阻增大而形成損耗、發(fā)熱量增加，因?yàn)楸Ｗo(hù)而造成輸出電壓紋波的增加似乎也是順理成章的事。

下面再來(lái)說(shuō)說(shuō)輕載工作模式的影響，因?yàn)?RT6283B 采用了 PSM 的輕載工作模式，其好處是可以提高效率，帶來(lái)的問(wèn)題是它會(huì)增大輸出電壓紋波。

Buck 器件的工作通過(guò)上下橋開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)這些開(kāi)關(guān)的過(guò)程是要消耗能量的。當(dāng)負(fù)載比較低的時(shí)候，Buck 轉(zhuǎn)換器的電感電流還會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，這一負(fù)值在下橋?qū)ㄆ陂g形成，又在上橋?qū)ㄆ陂g通過(guò)上橋?qū)⑦@部分能量釋放到輸入端，一來(lái)二去之間就造成了無(wú)效的損耗，所以就有輕載情況下的 PSM 工作模式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，上橋開(kāi)關(guān)僅在需要時(shí)才會(huì)導(dǎo)通向輸出端補(bǔ)充能量，一旦輸出電壓達(dá)到預(yù)定的幅值，這一操作便會(huì)停止，下橋開(kāi)關(guān)在電感電流降到 0 以后也會(huì)主動(dòng)關(guān)斷，絕不給負(fù)電流留下形成的機(jī)會(huì)，這樣就避免了不必要的浪費(fèi)，但這樣的操作也同時(shí)降低了工作頻率，輸出電壓紋波將會(huì)明顯增大。為了避免 PSM 工作模式所帶來(lái)的問(wèn)題，有的器件便會(huì)保留工作頻率不變的 PWM 工作模式，容許負(fù)電流的生成，同時(shí)也就容許了損耗的產(chǎn)生，所以在輕載情況下的轉(zhuǎn)換效率就會(huì)比較低，但是確保了輸出電壓的調(diào)整精度，輸出紋波幅度會(huì)保持不變。文章開(kāi)頭提出的需求就需要保持輸出紋波較低的狀態(tài)，所以就需要選擇純粹的 PWM 工作模式，這種模式也被稱為強(qiáng)制 PWM 工作模式，但是如果負(fù)載能接受輕載時(shí)的 PSM 模式所帶來(lái)的紋波增加，使用包含輕載 PSM  模式的器件還是可以的，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥剌d的時(shí)候還是會(huì)進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式，只有那種在任何情況下都以 PSM 模式工作的器件才不適合這樣的場(chǎng)合。

總結(jié)
把上面所談的信息綜合起來(lái)就知道，留言的讀者由于需要低紋波的電源供應(yīng)，他應(yīng)該優(yōu)先選擇工作頻率比較高的器件，盡可能選擇以強(qiáng)制 PWM 模式工作的器件，同時(shí)還要在設(shè)計(jì)中加入自舉電容輔助充電電路、使用容量比較大的輸出電容，PCB 設(shè)計(jì)也要特別進(jìn)行優(yōu)化，避免不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)帶來(lái)電路性能的劣化。

選擇 ACOT® 架構(gòu)器件需要注意的問(wèn)題
另外，或許是因?yàn)樵撟x者希望獲得良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性，打算另外選擇的都是采用 ACOT® 控制架構(gòu)的器件，瞬態(tài)響應(yīng)特性好也確實(shí)是這種控制架構(gòu)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但有兩個(gè)問(wèn)題可能會(huì)成為這種架構(gòu)在其應(yīng)用中需要注意的。首先是ACOT® 架構(gòu)器件的工作頻率會(huì)在負(fù)載突變期間發(fā)生變化，這有可能帶來(lái)難以處理的噪聲。第二個(gè)問(wèn)題是 7V 轉(zhuǎn) 5V 需要的占空比比較高，所列型號(hào)所能達(dá)到的占空比也能支持這樣的應(yīng)用，但是高占空比會(huì)造成 ACOT® 控制電路內(nèi)部所生成的紋波模擬信號(hào)的幅度的增加，它所帶來(lái)的影響是響應(yīng)的速度會(huì)變慢，這就可能帶來(lái)欠阻尼現(xiàn)象甚至是不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，需要在應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中增加前饋電容對(duì)此進(jìn)行糾正，如果忽略了就可能在應(yīng)用中遇到問(wèn)題。

ACOT® 的優(yōu)勢(shì)在低占空比的應(yīng)用中會(huì)比較明顯，但在高占空比應(yīng)用中可能就要稍遜一些，需要在設(shè)計(jì)上進(jìn)行彌補(bǔ)，這是客戶在選型和設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意的，不要有人說(shuō) ACOT® 好就是什么都好了，任何產(chǎn)品都有自己的適用空間和正確的使用方法，只有選對(duì)了、用好了才是真的好。為什么我們會(huì)有各種各樣控制模式的產(chǎn)品提供給市場(chǎng)，我想這也是因?yàn)樗鼈兏饔凶约旱膬?yōu)勢(shì)，分別能夠滿足不同應(yīng)用的需求的緣故，使用者也需要順應(yīng)這一需求。